جهان چه شکلي است؟

شايد اين سؤال يکي از عجيب ترين سؤالاتي باشد که تا کنون به ذهن بشر رسيده است؛ اينکه کل جهان چه شکلي دارد؟ آيا جهان همانند يک صفحه مسطح تا بي نهايت ادامه دارد يا همانند يک کره-بدون مرز اما متناهي است؟ آيا اگر همانند يک دريانورد کيهاني با سفينه فضايي خود سفري کيهاني را شروع کنيم، نهايتاً کل جهان را دور زده و مجدداً به نقطه آغازين سفرخود خواهيم رسيد يا سفر ما همچنان تا بي نهايت امتداد خواهد يافت؟
متأسفانه ترسيم شکل جهان کار چندان آساني نيست و علت آن هم کاملاً مشخص است. هر چيزي را در جهان-از يک فنجان چاي گرفته تا سيارات، کهکشان ها و خوشه هاي کهکشاني-مي توان از بيرون نگاه کرد اما در اين ميان يک استثنا وجود دارد وآن خود جهان است. ما هيچ گاه نمي توانيم از جهان خارج شده و از بيرون به آن نگاه کنيم تا بتوانيم شکل آن را مشخص کنيم. براي همين هم مسأله تعيين شکل جهان يکي از عجيب ترين سوالات مطرح در علم است اما با اين حال روح کنجکاوي و جست و جوگر بشر، او را براي يافتن پاسخ اين سؤال به چالش دعوت کرده است.

نقشه برداري از کل آسمان
 

اما آيا به راستي راهي براي ترسيم شکل جهان از درون آن وجود دارد؟ خوشبختانه اکنون کيهان شناسان پس از چندين دهه تلاش مستمر تا حدودي به پاسخ اين معما نزديک شده اند.
يکي از بهترين راه ها براي مشخص کردن شکل و هندسه ي جهان مطالعه ي تابشي است که کل جهان را پرکرده است. اين تابش هنگامي کل جهان را پر کرد که عمر جهان چيزي حدود 370 هزار سال بود و دماي جهان از مقدار آتشين اوليه خود به حدي کاهش يافته بود که شکل گيري نخستين اتم ها از پلاسماي اوليه ي جهان ممکن شده بود. فوتون هاي اين تابش هنوز هم در کل جهان پراکنده اند اما به واسطه ي انبساط کيهان، طول موج آن ها افزايش يافته؛ به طوري که اکنون بيشترين شدت اين تابش کيهاني در طول موج هاي ميلي متري که در طيف امواج ميکروموج قرار مي گيرند قابل دريافت است و براي همين کيهان شناسان اين تابش را اصطلاحاً «تابش زمينه ي ميکروموج کيهاني» ناميده اند. اين امواج کيهاني از همه سوي جهان و در همه جاي آن قابل دريافت هستند. از آن جا که اين امواج اطلاعات مربوط به نحوه ي توزيع ماده در جهان را در دل خود دارند بنابراين با رصد کل آسمان در محدوده ي طيف اين امواج مي توان به نحوه ي توزيع ماده در کل جهان و نتيجتاً به هندسه و شکل آن پي برد.
تا کنون 3 کاوشگر، کار رصد تابش زمينه ميکروموج کيهاني را در کل گستره ي آسمان به انجام رسانده اند؛ اولي «کاوشگر زمينه ي کيهاني» (COBE) است که داده هاي رصدي آن در سال 1993منتشر شد. ديگري «کاوشگر ناهمسانگردي ميکروموج کيهاني ويلکينسون» (WMAP) است که داده هاي اوليه ي آن در سال 2003 ارائه شد و سومي «کاوشگر پلانک» است که در سال 2009به فضا پرتاب شد و رصدها و داده هاي رصدي آن هنوز به طور نهايي تکميل و منتشر نشده است. بررسي نقشه هاي حاصل از داده هاي اين کاوشگر تا کنون نتايج بسيار جالب توجهي داشته اند. در اين نقشه ها نواحي گرم تر و سردتري در طيف ميکروموج کيهاني در گستره ي کيهان مشاهده شده اند که حاکي از شکل گيري هسته هاي اوليه ي خوشه هاي کهکشاني در جهان اوليه هستند. اما ببينيم چگونه مي توان از اين نقشه ها براي ترسيم شکل جهان کمک گرفت؟

انحناي فضا در ابعاد کيهاني
 

اولين گام براي تشخيص شکل پاتولوژي جهان، مشخص کردن انحناي آن در مقياس کيهاني است. يعني ابتدا بايد ببينيم انحناي فضا در مقياس کيهاني، مثبت، منفي يا صفر است. اگر انحناي فضا در ابعاد کيهاني مثبت باشد در اين صورت جهان، متناهي و بسته خواهد بود و مثلا شکلي شبيه به يک ابر کره خواهد داشت. اما اگر انحناي کيهاني فضا منفي باشد، جهان باز و نامتناهي بوده و شکلي مثلاً شبيه به يک زين اسب کيهاني خواهد داشت. حالت سوم هم اين است که انحناي فضا صفر باشد که در چنين حالتي جهان به عنوان مثال مي تواند مانند يک ابر صفحه ي تخت و بي انتها باشد.
بر مبناي نظريه ي نسبيت عام اينشتين مي دانيم که هر جرم نجومي در جهان مثلاً خورشيد در فضاي پيرامون خود مقداري انحنا ايجاد مي کند. به همين دليل هم انحناي فضا در ابعاد کيهاني و توپولوژي کل کيهان عملاً به ميزان ماده ي موجود در کل جهان يا به عبارتي به چگالي متوسط جرم انرژي کل جهان وابسته است. اگر چگالي متوسط جرم انرژي کل جهان از حد معيني موسوم به حد بحراني فراتر باشد، گرانش حاصل از اين جرم -انرژي کل جهان را روي خود جمع کرده و منجر به يک جهان بسته با انحناي کيهاني مثبت مي شود.اما اگر چگالي متوسط جرم -انرژي کل جهان از اين حد بحراني کمتر باشد،گرانش، قدرت بستن و جمع کردن جهاني را نخواهد داشت و نتيجتاً جهان ما، جهاني باز با انحناي کيهاني منفي خواهد بود. حالت مابين اين دو نيز هنگامي است که چگالي متوسط جرم-انرژي کل جهان دقيقاً با چگالي بحراني برابر باشد که در اين صورت جهان ما همانند يک ابر صفحه با انحناي کيهاني صفر خواهد بود.
اما چگونه مي توان انحناي کيهاني فضا را اندازه گيري کرد؟ خوشبختانه کيهان شناسان به کمک لکه هاي گرم و سرد موجود در نقشه هاي تابش زمينه ي ميکروموج کيهاني روشي براي اندازه گيري ميزان انحناي فضا در ابعاد کيهاني پيدا کرده اند. بر اساس نظريات مطرح در کيهان شناسي ابعاد متوسط اين لکه ها در پهنه ي آسمان بايد حدود 500 هزار سال نوري باشد. به همين دليل هم مي توان از اين لکه ها به عنوان مقياسي براي سنجش ميزان انحناي کيهاني فضا استفاده کرد چرا که انحناي مثبت و منفي فضا همانند يک عدسي محدب و مقعر کيهاني عمل مي کند. انحناي مثبت مانند عدسي محدب منجر به درشت تر شدن ظاهري اين لکه ها مي شود؛ درحالي که انحناي منفي مانند عدسي مقعر اين لکه ها را به طور ظاهري کوچکتر مي کند.

از کيک حلقوي تا شيپور کيهاني
 

اغلب اندازه گيري هاي صورت گرفته روي اندازه لکه هاي گرم و سرد موجود در نقشه هاي تابش زمينه ميکروموج کيهاني، تفاوت چندان قابل توجهي نسبت به اندازه ميانگين مورد انتظار آنها نشان نمي دهد. به عبارتي بر اساس بهترين اندازه گيري هاي موجود بايد گفت که هندسه جهان، تخت يا بسيار نزديک به تخت -با انحناي مثبت يا منفي اندک-است. بدين ترتيب و با توجه به دقت فعلي نقشه هاي ثبت شده از تابش زمينه ميکروموج کيهاني فعلاً نمي توان هيچ کدام از گزينه هاي انحناي کيهاني مثبت، منفي يا صفر را براي جهان قاطعانه کنار گذاشت چراکه مثلاً همان طور که سطح کره زمين به علت انحناي بسيار کم آن از نگاه انسان هاي چند قرن پيش تخت به نظر مي رسيد، ممکن است جهان هم آن قدر بزرگ باشد که انحناي آن در رصدهاي صورت گرفته توسط کيهان شناسان به چشم نيامده باشد. پس براي آنکه ما در تعيين شکل جهان مرتکب اشتباهي مشابه اشتباه گذشتگان خود در تعيين شکل سياره زمين نشويم، بهتر است به جاي يک گزينه، مجموعه تمام گزينه هايي را که با توجه به دقت رصدهاي موجود مي توان براي شکل جهان محتمل دانست ،مورد برسي قرار دهيم.
اگر هندسه جهان کاملاً تخت باشد، در اين صورت اولين گزينه اين است که جهان همانند يک ابرصفحه تخت تا بي نهايت ادامه داشته باشد.
اما جالب است بدانيد که اشکال ديگري غير از يک ابرصفحه تخت هم وجود دارد که هندسه تخت-و به عبارت دقيق تر هندسه اي با متريک اقليدسي-دارند. از ميان اين اشکال شکل ابرچنبره کيهاني که شکلي متناهي با متريک اقليدسي است، يکي از مطرح ترين گزينه ها براي شکل جهان تخت محسوب مي شود (از آنجا که يک کيک حلقوي، شکلي شبيه به يک چنبره دوبعدي دارد، بنابراين شکل ابرچنبره را به نام کيک حلقوي کيهاني نيز مي خوانند).
اما حالت دوم آن است که انحناي کيهاني جهان منفي باشد که در اين صورت هندسه جهان، هندسه اي نا اقليدسي بوده و شکل آن نيز باز و نامتناهي خواهد بود. به عقيده ي کيهان شناسان در صورت باز بودن هندسه جهان و منفي بودن انحناي کيهاني آن، جهان به احتمال زياد شکلي شبيه به يک ابرزين اسب کيهاني يا يک ابرشيپور کيهاني خواهد داشت.
اما اگر انحناي کيهاني جهان مثبت باشد، آن وقت چه؟ در اين حالت جهان شکلي بسته و متناهي خواهد داشت. در واقع به عقيده برخي کيهان شناسان دلايلي وجود دارند که متناهي بودن جهان ما را پذيرفتني تر از نامتناهي بودن آن مي کنند.
به عنوان مثال در تمامي نظرياتي که امروزه براي وحدت بخشيدن به دو پاره ي اصلي فيزيک جديد يعني مکانيک کوانتومي و نسبيت عام اينشتين مطرح هستند، سروکله ابعاد فضايي اضافي نيز پيدا مي شود.
اما نکته ي مهم اين جاست که در اغلب اين نظريات که به نظريات گرانش کوانتومي موسوم هستند، ابعاد اضافي مزبور همگي متناهي و در هم پيچيده هستند.
بنابراين به طور طبيعي اين سوال مطرح مي شود که چرا بايد تمامي ابعاد جهان به جز سه بعد آن همگي متناهي باشند؟ به عبارتي کاملاً منطقي است که بعد مکاني جهان ما نيز همانند ساير ابعاد تا بي نهايت امتداد نداشته بلکه متناهي و در هم پيچيده باشند.

توپ فوتبال کيهاني
 

البته دلايل ديگري هم براي متناهي بودن جهان ما وجود دارد، به عنوان مثال هيچ يک از نواحي گرم و سرد موجود در نقشه ي ثبت شده از تابش زمينه ي ميکروموج کيهاني، گستره اي بيش از 60 درجه از کل آسمان را نمي پوشانند. به همين دليل هم برخي کيهان شناسان معتقدند که عدم مشاهده ي ساختارهاي خيلي بزرگ در جهان ما عملاً به اين معناست که کل جهان نامتناهي نبوده بلکه از آن چه تاکنون تصور مي کرديم، کوچک تر است.
اما در صورت بسته و متناهي بودن جهان چگونه مي توان شکل آن را مشخص کرد؟ خوشبختانه راه حلي براي اين کار وجود دارد که اندرو جيف (Andrew Jaffe) کيهان شناس امپريال کالج لندن با مثال جالبي آن را توضيح مي دهد. اگر واقعاً جهان متناهي باشد در اين صورت در بخش هاي مختلف نقشه ي ثبت شده از کل آسمان در طيف تابش زمينه ي ميکروموج کيهاني بايد الگوهاي مشابهي ديده شوند چرا که تصاوير ساختارهاي کيهاني در چنين جهاني پيش از رسيدن به ما بارها و بارها از بخش هاي مختلف کيهان منعکس مي شوند دقيقاً همان طور که اگر شما در تالاري از آينه بايستيد، تصويرتان بارها و بارها در آينه منعکس و تکرار مي شود بنابراين براي مشخص کردن شکل جهان کافي است تمامي اشکال هندسي بسته محتمل را در نظر گرفته و ببينيم که الگوي حاصل از کدام شکل با الگوي لکه هاي گرم و سرد مشاهده شده در نقشه هاي ثبت شده از تابش زمينه ي ميکروموج کيهاني انطباق دارد.
ژان پير لومينه کيهان شناس فرانسوي رصد خانه ي پاريس به همراه گروه تحقيقاتي اش يکي از اولين گروه هايي بودند که چنين کاري را آغاز کردند. هرچند اولين و محتمل ترين شکلي که براي يک جهان بسته به ذهن مي رسد، شکل يک ابرکره است اما گروه لومينه کار خود را با شکل پيچيده تر و دور از ذهن تري آغاز کردند. آن ها حدس مي زدند که جهان احتمالاً بايد يک ابر دوازده وجهي منتظم باشد. «از آن جا که چنين شکلي تا حدودي شبيه توپ فوتبال است، برخي اصطلاحاً آن را توپ فوتبال کيهاني هم ناميده اند.» محاسبات نشان مي دهد چنان چه هيچ محدوديتي در رصد اعماق کيهان نبود، بايد الگوي لکه هاي گرم و سرد در نقشه هاي ثبت شده از تابش زمينه کيهاني در چنين جهاني عيناً 120مرتبه در کل پهنه ي آسمان تکرار شوند.
اما ساير کيهان شناسان نيز بيکار ننشسته و آن ها نيز حدس هاي بديع ديگري را براي شکل جهان مطرح کرده اند.آناستازيانيارچو (Anastasia Niarchou) کيهان شناس امپريال کالج لندن يکي از اين محققان است. او در پروژه ي دکتراي خود، الگوي لکه هاي گرم و سرد تابش زمينه ي ميکروموج کيهاني را براي 4شکل کيهاني مختلف شبيه سازي کرد تا ببيند کدام يک به الگوي مشاهده شده در نقشه هاي واقعي نزديک تر است. اين4 شکل عبارت بودند از ابر منشور4وجهي، ابر منشور هشت وجهي منتظم، ابر دوازده وجهي منتظم- همان توپ فوتبال کيهاني که گروه پژوهشي رصدخانه پاريس هم آن را مد نظر داشت- و ابر چهارده وجهي نيارچو در تحقيقات اوليه خود به اين نتيجه رسيد که الگوي حاصل از ابر دوازده وجهي منتظم تا حد زيادي با مشاهدات صورت گرفته انطباق دارد و نتيجه ي شبيه سازي براي ابر چهارده وجهي حتي از آن هم به واقعيت نزديک تر و اميدوارکننده تر است.

پيچيدگي اين معماي کهن
 

هرچند معماي شکل جهان يک معماي کهن و قديمي است اما پيشرفت هاي اخير دانش کيهان شناسي به تازگي امکان ورود به اين عرصه را براي بشر فراهم کرده است. به عبارتي ما تازه در شروع کار ترسيم شکل جهان هستيم چرا که علاوه بر چند شکل مفروض و ساده کيهاني عملاً بي نهايت شکل و توپولوژي پيچيده و عجيب و غريب احتمالي ديگر هم مي توان براي جهان در نظر گرفت. به عنوان مثال جهان مي تواند به جاي يک ابرکره ي کامل، صرفاً برشي از يک ابر کره باشد. همين طور ممکن است جهان شکلي کريستالي داشته يا حتي شبيه به يک خمينه فوق العاده پيچيده باشد. البته شبيه سازي الگوي تابش زمينه ي ميکروموج کيهاني در برخي از اين توپولوژي ها به حدي دشوار است که کيهان شناسان حتي با داشتن قوي ترين ابررايانه ها باز هم از عهده ي آن بر نمي آيند اما با اين حال آن ها دست روي دست نگذاشته و تلاش خود را حداقل براي اشکال و توپولوژي هاي ساده تر ادامه مي دهند. البته کيهان شناسان براي ترسيم شکل جهان علاوه بر کمبود قدرت پردازش ابر رايانه ها با مسأله ي ديگري هم مواجه هستند وآن مساله شناخت ماهيت و ويژگي هاي انرژي تاريک است. از آن جا که انرژي تاريک ،انبساط کيهان را شتاب مي بخشد بنابراين بدون شناخت ويژگي ها و شدت اين دافعه مرموز کيهاني عملا امکان مشخص کردن فاصله ي دقيق توده هاي گرم و سرد مشاهده شده در نقشه هاي تابش زمينه ي ميکرو موج کيهاني نسبت به ما و نتيجتاً محاسبه ي اندازه ي ظاهري آن ها وجود ندارد. بنابراين معماي کهن شکل جهان هم چنان بشر را به چالش مي طلبد چرا که متأسفانه با توجه به دقت نه چندان بالاي نقشه هاي رصدي موجود از تابش زمينه ي ميکروموج کيهاني و همين طور عدم اطلاع کافي از ويژگي هاي انرژي تاريک کيهاني در حال حاضر نمي توان در مورد هيچ کدام از شکل هاي احتمالي جهان به طور قطعي اظهار نظر کرد. بنابراين فعلاً بايد منتظر داده هاي دقيق تر رصدي «کاوشگرپلانک» که احتمالا در اواخر سال2012منتشر خواهد شد باشيم.
درآن زمان شايد بالاخره پس از قرن ها پاسخ يکي از پرسش هاي کهن و ديرينه ي بشر را کشف کنيم. اين که آيا جهان ما تا بي نهايت ادامه دارد يا اينکه بسته و متناهي است.
اما حتي اگر هم روزي موفق به يافتن پاسخي براي اين معماي شگفت انگيز شويم، معماي بسيار اسرارآميزتري هم چنان در برابرمان بي پاسخ مي ماند؛ اينکه ميلياردها ميليارد جهان ديگر غير از جهان ما که در ابعاد بالاتر کائنات و در گستره ي بي کران ابر جهان شناورند هريک چه شکلي دارند؟شايد بشر هيچ گاه قادر به يافتن پاسخ اين سوال حيرت انگيز نباشد اما روح جست و جو گر انسان نيز همانند گستره ي بي کران ابر جهان هيچ حد و مرزي ندارد.
منبع: نشريه همشهري دانستنيها شماره 34